结合LAN91C96的嵌入式TCP/IP开发

        随着人们对智能化产品需求的增加，未来的嵌入式产品，包括各种家电、通信、PDA、仪器仪表等设备正逐渐走向网络化，以共享互联网中庞大的信息资源，因而使嵌入式设备的网络化开发有广阔的市场前景。由于嵌入式硬件资源有限，而传统的TCP/IP等网络通信协议对计算机存储器、运算速度的要求较高，所以不能直接应用。为此，必须开发一套适合嵌入式系统的、高度优化的、最为精简的TCP/IP协议栈。

　　开放式多媒体应用平台OMAP(Open Multimedia Apphcation Platform)是美国德州仪器公司推出的高度集成的软硬件平台。OMAP具有独特的双芯结构，结合了DSP与RISC内核，可为无线多媒体设备提供独一无二的性能和功耗优势。OMAP可连接十分丰富的外围设备，包括USB、摄像头、声音设备、视频设备、网络设备等。OMAP拥有开放式体系结构，其应用环境完全可编程。

　　软件协议的设计与实现在很大程度上决定了通信终端的质量。基于OMAP的3G移动终端软件协议结构由信令协议栈和应用业务协议栈组成，如图l所示。TCP/IP协议栈位于应用业务协议栈的底层，为上层的H.323协议栈提供基础与服务。其性能质量将直接决定整个通信终端软件系统的运行质量。因此，针对嵌入式系统联网的发展方向，为OMAP系统其设计一套高效、简洁的TCP/IP协议，对其应用具有十分重要的意义。

　　1 开发方案

　　PC上有功能强大的VC平台和网络分析工具(如Sniffer)便于调试，其设计不针对任何一个嵌入式芯片，具有较好的通用性和可移植性。在PC机上实现的TCP/IP协议，除了以太网层要结合OMAP平台的网卡硬件重写外，基本上可以直接移植到OMAP平台上，不需要再做大的改动。作为一个通信程序，必然需要两端程序同时调试，在PC机上编好的程序能对OMAP平台上程序的调试提供可靠的帮助。因此，协议开发采用先模拟再移植、先整体再部分的设计思路，而协议各层实现的顺序为自下而上。具体步骤是：

　　(1)在PC机的Windows操作系统及VC 6.0开发平台上，实现嵌入式系统TCP/IP协议族的模拟器。该模拟器应该能实现TCP/IP协议的基本功能，包括以太网驱动程序、ARP、IP、UDP、TCP等，并且实现的ARP、IP、UDP、TCP层的程序应该通用于各种嵌入式系统并可移植。

　　(2)将该模拟器移植到OMAP开发平台，用其以太网卡的驱动程序替换原模拟器的链路层程序。在TI提供的CCS平台上最终实现基于OMAP的TCP/IP协议。

　　

 

　　2 开发平台

　　OMAP的多媒体开发平台Innovator主要由4个模块组成：PM(处理器模块)、IM(接口模块)、EM(扩展模块)、BOB(主连接板)。OMAP处理器在PM上，以太网卡在BOB上。可以通过Innovator上的OMAPl510芯片的ARM教处理器对单片以太网控制器LAN91C96的工作进行控制，实现以太网帧的收发，并通过CCS对程序调试。图2为OMAP平台调试环境。

　　

 

　　3 在PC上实现协议的基本模块

　　3.1 主要模块介绍

　　(1)主流程：首先对TCP/IP协议族的各层初始化，成功则进入主循环。主循环采用“中断+循环”结构，简单且分层清晰。中断作为应用层发出命令，调用下层的入口。对于接收到的以太网帧，则由下到上分别进入各层进行处理。协议实现主流程如图3所示。

　　

 

 

 (2)PC上的以太网层：在内存中开辟接收和发送两个相同的循环缓冲区，用于存放接收和发送的以太网帧。WinPcap软件是基于Windows平台的一个网络包工具，它提供一个系统内核级的动态链接库Packet.dll作为标准的API，具有独立于操作系统的编程接口。利用其提供的API可直接联系网卡驱动与已定义的循环缓冲区，将缓冲区中的数据发出，并将网卡接收的数据存入缓冲区。

　　(3)ARP层：在内存中开辟一块循环存储区域用于存放已知的IP-MAC对应表。该表可以由上层舔加，在接收到ARP应答时会自动添加，也可以由上层清空。处理ARP层函数的过程为：根据以太网首部协议字段过滤出ARP包，针对ARP请求与ARP应答进行不同的处理。应答对方的请求，记录对方的应答。

　　(4)IP层：根据以太网首部的帧类型标志判断接收到的是不是IP包来处理IP层函数。如果是，则调用IP包的接收函数，对收到的IP包用各种条件进行过滤，对于满足条件的包获取其长度与指针信息供上层使用。本层另一个主要函数是IP包发送函数，由上层调用进行IP封装。

　　IP的检验和仅包括IP首部，长度一般为20字节(如果没有选项)。在接收端，丢弃检验和不为0xFFFF的包;在发送端，将计算所得值的反码填入检验和字节。由于主机和网络对数据中高低字节默认的顺序不同，在读写包中的16位、32位数据时，应该先进行高低字节的交换。

　　(5)UDP层：处理UDP层函数应根据IP首部的协议字段判断是否UDP包。如果是，则调用UDP包接收函数，用各种条件对其进行过滤，提出UDP数据及各种有用信息，根据端口号提交给应用进程处理。本层的另一个主要函数是UDP发送函数，实现封装UDP包(包括载入UDP数据，计算并填入UDP首部信息)，最后调用IP发送函数，交由IP层处理。

　　(6)TCP层：与UDP不同，TCP主机要进行数据通信之前，必须与对方建立连接。与几个主机通信，就要建立几个连接。然而，若要知道接收到的TCP包属于哪个连接且使得几个不同的连接之间独立工作、互不干扰，则需要定义TCP的控制模块。这里用一个结构体数组实现，存放所有关于连接的信息。

　　

 

　　

 

　　处理TCP层函数，判断接收包的类型，如果是TCP包.则调用TCP接收函数。TCP接收函数用指定条件进行过滤，找到该包所属的连接或完成一个新连接的被动打开，根据TCP的状态转换规则完成11种状态的转移，并且实现了多路数据同时、双向的传输。

　　TCP的发送函数包括主动打开、主动关闭(由上层调用完成新连接的主动打开，或主动关闭一个已建立的连接)和发送控制包(用于TCP连接的建立与终止，会在TCP接收函数中调用，从而实现TCP状态的转换)三个函数。

　　TCP层还实现了两个定时器。TCP重传定时器函数可提供服务可靠性的有效保障;TCP保活定时器能够避免资源的浪费。

　　3.2 程序特点分析

　　(1)简单性：4.4BSD-Lite版的完整TCP/IP内核实现大约有15000行，而本程序源代码约有l400行，更适合嵌入式系统的应用。

　　(2)可重用性：本程序分层清晰。对于不同的嵌入式系统，可能使用的CPU和以太网卡不同，这就需要针对其特点的以太网层设计，而ARP、IP、UDP、TCP则不需要改动。

　　(3)可拓展性：TCP/IP协议是底层网络协议，本程序留有很好的接口，可在其上构建更高层的网络协议，包括H.323协议、ftp、telnet。

　　

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